The design of the oil-water separator remote control system based on PLC

王守城，田樂帥，段俊勇，王小沖

WANG Shou-cheng, TIAN Le-shuai, DUAN Jun-yong, WANG Xiao-chong

（青島科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，青島 266061）

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基于PLC的油水分離器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

The design of the oil-water separator remote control system based on PLC

王守城，田樂帥，段俊勇，王小沖

WANG Shou-cheng, TIAN Le-shuai, DUAN Jun-yong, WANG Xiao-chong

（青島科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，青島 266061）

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于PLC的油水分離器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以西門子PLC S7-1200作為核心控制器，并加入GPRS短信數(shù)據(jù)傳輸模塊，利用移動手機(jī)向系統(tǒng)發(fā)送短信來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，短信模塊通過串口與PLC連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。文中介紹了該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理及其軟件的設(shè)計(jì)方法，并用TIA Portal軟件為PLC和短信模塊組態(tài)、編程和調(diào)試，經(jīng)測試表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，而且自動化程度高。

關(guān)鍵詞：油水分離器；西門子PLC；短信模塊；遠(yuǎn)程控制

0 引言

當(dāng)今社會每天都會產(chǎn)生大量的油污類水，當(dāng)外界溫度較低時(shí)，液態(tài)油污會固化成油脂，堵塞管道。當(dāng)管道溫度升高時(shí)，又會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成油脂酸，腐蝕并損害地下排水管網(wǎng)及污水處理設(shè)備。而傳統(tǒng)的油水分離措施已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)今社會的發(fā)展需求。

本文針對餐館一類的中小型油水分離器加入PLC控制器和GPRS短信數(shù)據(jù)傳輸模塊的應(yīng)用，該短信模塊利用GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)的短信息和GPRS業(yè)務(wù)為用戶搭建了一個遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺，并提供RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，直接與用戶設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)短信功能和GPRS數(shù)據(jù)傳輸。控制系統(tǒng)最終可將其與PLC、上位機(jī)或機(jī)構(gòu)連接通訊，使整個系統(tǒng)能夠擺脫空間上的約束和減少人為不必要的勞作。所以該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對排污、油水分離油脂和油脂回收效率具有重大的意義。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1所示為油水分離器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件原理圖。由圖可知它主要包括通信部分、控制部分，執(zhí)行部分。通信部分關(guān)鍵是GPRS短信數(shù)據(jù)傳輸模塊，控制部分的核心是PLC控制器，另外有傳感器反饋調(diào)節(jié)（本系統(tǒng)傳感器輸出為數(shù)字開關(guān)量），對PLC的以太網(wǎng)通信可以加入上位機(jī)或人機(jī)觸摸屏來實(shí)現(xiàn)。

執(zhí)行部分主要包括防止油脂聚結(jié)的沖水系統(tǒng)，收集廢油的刮油機(jī)系統(tǒng)、避免油脂冷凝的加熱系統(tǒng)、定時(shí)清理的排水系統(tǒng)。它們都是在PLC控制下隨特定時(shí)間或溫度條件完成相關(guān)功能。

2 PLC的硬件配置與輸入輸出地址分配

圖1　油水分離器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件原理圖

該系統(tǒng)的控制器選用西門子PLC S7-1200，作為控制系統(tǒng)的核心，CPU型號為1214C DC/DC/Rly，輸入電壓為DC24V。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求和輸入輸出特點(diǎn)及數(shù)量，PLC端子接線與功能如圖2所示，左邊共有14個輸入量，右邊有4個輸出量。PLC本身在接220V的交流電時(shí)，該型號的CPU必須接AC220V轉(zhuǎn)DC24V電源轉(zhuǎn)換器。

圖2　PLC端子接線與功能圖

3 PLC程序的設(shè)計(jì)

本油水分離器自動化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、硬件調(diào)試、程序編制及診斷均是在西門子TIA Portal軟件中進(jìn)行的。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

3.2 自動工作方式程序設(shè)計(jì)

自動工作方式就是整個油水分離器系統(tǒng)按照設(shè)定的程序按步驟依次進(jìn)行，中間無人為干擾，只需在油水分離開始之前，將旋鈕開關(guān)旋至自動檔位，然后點(diǎn)動操作面板中的自動方式啟動按鈕即可?？刂葡到y(tǒng)的操作面板如圖3所示。

油水分離器控制系統(tǒng)自動工作方式順序功能圖程序如圖4所示。

圖3　控制系統(tǒng)的操作面板

圖4　控制系統(tǒng)自動工作方式的順序功能圖

M1.0代表程序首次掃描時(shí)狀態(tài)為1，以后為0。M4.0為初始步，當(dāng)程序首次掃描時(shí)，M1.0得電為1狀態(tài)，置位初始步M4.0，即M4.0得電。在沖水開關(guān)（自動工作方式啟動按鈕）I0.0得電后，M4.1轉(zhuǎn)為活動步，M4.0被復(fù)位失電，此時(shí)沖水系統(tǒng)啟動沖水開始，同時(shí)定時(shí)器T1開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間3分鐘。當(dāng)分離器內(nèi)液位高度達(dá)到光電液位傳感器設(shè)定的高度時(shí)，傳感器發(fā)出集油槽加熱器啟動信號，但是此時(shí)加熱器還無法運(yùn)行，需定時(shí)器T1計(jì)時(shí)3分鐘后也就是沖水系統(tǒng)停止工作后，才能啟動集油槽加熱系統(tǒng)。即同時(shí)滿足開關(guān)I0.1得電和計(jì)時(shí)器TI計(jì)時(shí)結(jié)束后，活動步轉(zhuǎn)為M4.2，M4.1被復(fù)位失電。加熱器啟動一段時(shí)間后，當(dāng)集油槽的溫度到達(dá)20℃后，溫度傳感器開關(guān)得電，在接近開關(guān)處于常閉狀態(tài)下，活動步轉(zhuǎn)到M4.3，M4.2被復(fù)位。步M4.3代表刮油機(jī)系統(tǒng)開始刮油，同時(shí)定時(shí)器T2開始計(jì)時(shí)，時(shí)間5分鐘，即刮油機(jī)刮油時(shí)間5分鐘。當(dāng)定時(shí)器T2計(jì)時(shí)時(shí)間到，活動步轉(zhuǎn)為M4.4，M4.3復(fù)位失電?；顒硬睫D(zhuǎn)為M4.4，自動排水系統(tǒng)開始工作，時(shí)間5分鐘，即定時(shí)器T3的計(jì)時(shí)時(shí)間，計(jì)時(shí)時(shí)間結(jié)束后轉(zhuǎn)初始步M4.0，M4.4復(fù)位。單周期從M4.0開始到M4.4結(jié)束，程序可以根據(jù)需要設(shè)定成單次循環(huán)及多次循環(huán)。

3.3 手動單步工作方式程序設(shè)計(jì)

手動單步工作方式是自動工作方式的有效補(bǔ)充，油水分離器的各個控制系統(tǒng)都有自己的單步面板控制按鈕及程序控制開關(guān)，其梯形圖程序如圖5所示。

圖5　手動單步梯形圖程序

考慮到油水分離器的使用壽命和能源節(jié)約，在程序的編制過程中設(shè)有一些必要的聯(lián)鎖。

1）加熱系統(tǒng)與排水系統(tǒng)的聯(lián)鎖，按下電動閥門開啟按鈕的同時(shí)，加熱系統(tǒng)停止工作。將分離器的水排出箱體時(shí)，已無油脂進(jìn)入集油槽，所以集油槽無需加熱以節(jié)約能源。

2）刮油機(jī)系統(tǒng)與排水系統(tǒng)的聯(lián)鎖，在排水系統(tǒng)工作時(shí)，刮油機(jī)停止工作，此時(shí)液面上已經(jīng)沒有明顯的油脂浮出水面，而且液面已經(jīng)下降到刮油機(jī)的工作液面以下。這樣可以減少刮油機(jī)的有效工作時(shí)間以延長其使用壽命。

3）刮油機(jī)系統(tǒng)與接近開關(guān)的聯(lián)鎖，正常工作時(shí)接近開關(guān)處于常閉狀態(tài)，當(dāng)刮油機(jī)鏈條脫鏈或掉鏈時(shí)，接近開關(guān)感觸到變化，常閉變?yōu)槌ｉ_，刮油機(jī)停止工作，從而起到保護(hù)鏈條不被折斷的作用。本系統(tǒng)選用的接近開關(guān)為德國西門子生產(chǎn)的3RG4648-3AN11型號，使用M12連接器，輸出開關(guān)量信號。在刮油機(jī)系統(tǒng)兩條水平傳動鏈的兩端總共安裝四個接近開關(guān)。

4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 PLC與GPRS短信模塊的連接

根據(jù)油水分離器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能及各短信模塊的技術(shù)特點(diǎn)，選取北京恒宇鼎力科技有限公司生產(chǎn)的一款型號為DL6100的短信數(shù)據(jù)傳輸模塊。而DL6100短信數(shù)據(jù)傳輸模塊除外接電源外，主要是通過RS232接口與PLC的通信模塊連接。

4.2 串行通信模塊的組態(tài)及程序指令編制

短信模塊與S7-1200 PLC的通信屬于串行數(shù)據(jù)通信。其協(xié)議為點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議（PtP）。PtP通信需要使用RS-232或RS485通信模塊（CM）。在TIA Portal軟件組態(tài)中選用CM1241（RS232）通信模塊，安裝在CPU模塊的左端，其電源由CPU模塊提供。整個設(shè)備組態(tài)視圖如圖6所示。

圖6　PLC設(shè)備組態(tài)視圖

根據(jù)組態(tài)和控制系統(tǒng)的需要，油水分離器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)PtP通信指令中SEND_PTP發(fā)送指令與RCV_PTP接收指令程序的編制如圖7所示，這兩個指令同功能塊FC一樣編入主程序OB中。

圖7　RCV_PTP程序和SEND_PTP程序

其中，EN_R：接收請求指令，當(dāng)此輸入端為1時(shí)開始掃描模塊接收的信息，如果成功接收，則將接收到的數(shù)據(jù)傳送到CPU中；PORT：CM1241 RS232的硬件標(biāo)示符；BUFFER：制定接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的存放區(qū)域（將接收的數(shù)據(jù)存放在哪一個DB塊中），其結(jié)構(gòu)如圖8所示；NOR：成功接收到一個新的消息幀輸出一個脈沖；LENGTH：接收到的消息中包含的字節(jié)數(shù)。

圖8　RCV_PTP接收緩沖區(qū)

基于短信模塊的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是以SIM卡短信的接收為基礎(chǔ)的。將SIM卡插入短信模塊的卡槽內(nèi)，便可用手機(jī)向SIM卡發(fā)送短信指令。系統(tǒng)的短信指令可選用了一些較簡便的阿拉伯?dāng)?shù)字來執(zhí)行。短信模塊中SIM卡接收到短信指令后便通過PLC的通信模塊與PLC完成通信，PLC接收到短信模塊中的數(shù)據(jù)后將其存入數(shù)據(jù)塊DB7中，然后通過程序中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及判斷指令處理后驅(qū)動相關(guān)程序執(zhí)行該命令，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的動作。短信指令代碼及其控制的相關(guān)設(shè)備動作如表1所示。

表1　短信模塊指令代碼表

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)以西門子PLC-1200為核心控制器實(shí)現(xiàn)了沖水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、刮油系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的順序動作、邏輯運(yùn)算，在編制程序時(shí)設(shè)置連鎖，可延長使用壽命，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。油水分離器中溫度傳感器和光電液位開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)。

另外，加入GPRS短信模塊與PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊，在通信程序中編寫SEND_PTP發(fā)送指令與RCV_PTP接收指令，用移動手機(jī)向短信模塊發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。為了適應(yīng)更廣泛的需要，可以再編寫上位機(jī)程序或組態(tài)（HMI）人機(jī)界面，進(jìn)行監(jiān)控測試，以提高系統(tǒng)的自動化程度。

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【上接第116頁】

6 結(jié)束語

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，通過數(shù)據(jù)濾波使鈑金件表面更加光順并將誤差控制在設(shè)計(jì)要求以內(nèi)；在保證圖形不失真的情況下對整體數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，可獲得適量的數(shù)據(jù)，節(jié)省曲面擬合時(shí)間和曲面重構(gòu)時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期，提高工作效率；而提高平面擬合精度和軸線擬合精度可減小新坐標(biāo)系的誤差。

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作者簡介：王守城（1964 -），男，山東煙臺人，教授，碩士，研究方向?yàn)橹圃熳詣踊夹g(shù)與系統(tǒng)。

收稿日期：2015-10-12

中圖分類號：TP27

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1009-0134(2016)01-0124-04